Лабораторная работа №3

Тема: «Идентификация микроструктуры сталей после химико-термической обработки»

Цель: изучить методы химико-термической обработки сталей

Задачи:

- научиться проводить исследование микроструктуры поверхностного упрочненного слоя сталей;

- научиться определять толщину диффузионного слоя по микроструктуре.

1. Теоретическая часть Общие сведения о химико-термической обработке

Химико-термическая обработка заключается в поверхностном насыщении стали различными химическими элементами за счет диффузии, проникновения в кристаллическую решетку железа атомов этих элементов. Этот процесс происходит при нагреве стальных деталей в газовой, жидкой или твердой среде, богатой этими элементами.

При химико-термической обработке протекают одновременно несколько процессов:

• переход насыщающего элемента в атомарное (ионизированное) состояние;

• адсорбция атомов (ионов) на поверхности металла с образованием химических связей между ионами насыщающего элемента и основного металла;

• диффузия адсорбированных атомов от поверхности обрабатываемого металла (изделия). Образуется диффузионный слой – это слой материала у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Основная характеристика диффузионного слоя – его толщина. Различают общую и эффективную толщину диффузионного слоя.

Общая толщина диффузионного слоя – это кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины, определяемое установленным методом по значению базового параметра. Базовым параметром может служить микроструктура, концентрация диффундирующего элемента или твердость.

Эффективная толщина диффузионного слоя – часть общей толщины диффузионного слоя, определяемая, как кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до участка с определенным значением базового параметра.

Наиболее распространены следующие виды ХТО: цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация и т.д.

Рис.1. Диффузионный слой (схема):

П.З. – переходная зона диффузионного слоя; С – сердцевина;

d_О – общая толщина слоя; d_Э – эффективная толщина слоя;

а_П – значение базового параметра у поверхности;

а_Э - значение базового параметра у поверхности;

а_С – значение базового параметра для сердцевины.

Виды химико-термической обработки стали

Наиболее распространенным способом ХТО, позволяющим значительно повышать твердость и износостойкость поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины, является цементация (науглероживание), которая состоит в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде – карбюризаторе (твердом, жидком или газообразном). Как правило, цементацию проводят при температурах устойчивого аустенита - выше точки А_С3 (930-950⁰С), когда возможно максимальное растворение углерода в твердом растворе на основе железа. Процесс цементации широко применяют в промышленности благодаря его высокой эффективности и доступности. Он позволяет после термообработки создавать на рабочей поверхности детали слой, обладающий высокой твердостью после закалки и низкого отпуска, износостойкостью, эрозионной стойкостью, контактной выносливостью и усталостной прочностью при изгибе. Эти свойства обеспечиваются при относительно мягкой и вязкой сердцевине, придающей необходимую конструктивную прочность обрабатываемым изделиям.

В процессе цементации на поверхности стали формируется структура в соответствие с диаграммой состояния «Fe-C». Цементации подвергаются только стали с содержанием углерода не более 0,25 мас. %, которые называются цементуемыми. Это связано с избыточным образованием цементита в поверхностном слое, что ускоряет растрескивание и выкрашивание поверхностного слоя в процессе эксплуатации. Оптимальная структура цементованного слоя представлена на рисунке 9.

Рисунок 1 - Структура цементованного слоя

 

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. Желательно, чтобы цементит не образовывал сплошную грубую сетку на поверхности (по ГОСТ 8233 – 56 «Сталь. Эталоны микроструктуры» не выше 5 балла). По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

Термическая обработка стали после цементаци. В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины. Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия. Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820 – 850 ^oС. При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку). Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку. Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880 – 900 °С для исправления структуры сердцевины. Вторая закалка проводится с температуры 760 - 780 °С для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150 – 180 °С. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, а также частично снимаются напряжения.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.

Азотирование – это процесс диффузного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом в среде аммиака. Азотирование широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например зубчатых колес, гильз цилиндров, штоков пароводяной арматуры, валов. Ему предшествует термическая обработка (улучшение). Упрочнение в этом случае достигается не в процессе термической обработки, а за счет образования в поверхностных слоях стойких и весьма твердых нитридов железа и легирующих элементов стали, имеющих высокую твердость на уровне 68…70 HRC. Азотированная сталь сохраняет высокую твердость в отличие от цементованной, до сравнительно высоких температур (500...520^оС). Но азотирование процесс очень дорогой и непроизводительный, поэтому применять его следует только в тех случаях, когда никакая другая обработка не обеспечивает нужных свойств. Например, для деталей, которые подвергаются истиранию и работают в условиях коррозии, или для деталей, которые истираются и во время работы могут периодически нагреваться до 500—600°С.

Микроструктура поверхностных слоев азотированных сталей приведена на рисунке 2.

а б в

Рисунок 2 – Микроструктура азотированных слоев на сталях:

а - сталь 38Х2МЮА, б - сталь 40Г14Т3Ф, в - сталь Р6М5; 300

Цианирование – процесс одновременного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом и углеродом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака, при температурах 820...860 ^оС (нитроцементация). После нитроцементации детали (зубчатые колеса, втулки, валы и др.) подвергают термической обработке: закалке непосредственно из печи и низкому отпуску. Его окончательная твердость – 58...60 HRC. Нитроцементация в большей степени, чем цементация, повышает износостойкость и коррозионную стойкость детали.

Борирование – процесс диффузного насыщения поверхностных слоев стальных изделий бором для повышения твердости, износостойкости и некоторых других свойств стали. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fe₂B, обладает очень высокой твердостью (до 72…74 HRC), обеспечивающей стойкостью к абразивному изнашиванию, в том числе в коррозионной среде. Структура поверхностных слоёв борированных стале показана на рисунке 3. Борирование эффективно для упрочнения стойкости бурильного и штампового инструмента.

а б в

Рисунок 4 – Микроструктура боридных покрытий на сталях:

а - 5ХНМ, б - 6Х6В3НФС, г - У7; 200.

Диффузионная металлизация – процесс диффузного насыщения поверхностных слоев стальных изделий металлами (хромом, цинком, алюминием и др.) для придания специальных свойств. Так, например, цинкование позволяет в десятки раз повысить коррозионную стойкость труб и листового железа, алюминирование – жаростойкость и коррозионную стойкость стали, хромирование углеродистых сталей – их износо-, жаро- и коррозионную стойкость.